基于人因工程的老年马桶改善设计研究

石鑫

摘要：针对人口老龄化问题，老年人如厕意外频发这一社会现状，应用人因工程和机械设计的相关原理及方法，对传统马桶进行了马桶盖、马桶座和水箱的改善，并在马桶两侧增加了扶手，将传统抽水改为脚踏式抽水按钮，减少了普通马桶对老年人的局限性，使之更加符合老年人生理与心理的特点，使得有效降低老年人如厕时意外事故发生的概率。

Abstract： According to an aging population problem， the frequent accident of the elderly going to the toilet， by application of human factors engineering and mechanical design principle and method， the traditional toilet lid， toilet seat and the water tank are improved， the armrest on both sides of the toilet are increased， the traditional pumping are replaced by pedal-powered pumping button. Therefore， it can reduce the limits of ordinary toilet for the elderly， make it more conforms to the elderly physiological and psychological characteristics， so as to effectively reduce the probability of accidents.

关键词：老年马桶；马桶盖；马桶座；水箱；扶手；脚踏；改善

Key words： toilet for the elderly；toilet lip；toilet seat；water tank；armrest； pedal；improve

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）02-0124-04

0 引言

中国目前虽然仍是发展中国家，但同样也面临着人口老龄化的问题，随着老年人口数量的不断增多，从各个角度关注老年人变得刻不容缓，老人的如厕问题同样是十分值得关注的。

美国疾病控制与预防中心专家指出，65岁以上的老年人坐下或离开马桶的动作很危险，尤其是85岁以上的老人，多数是在大小便时受伤的。首先，高血压患者晨起血压会更高，很多人有起床后就排便的习惯，因此极易在如厕时发生意外，其次，大多数老年人都存在便秘的问题，如厕时间较正常人要多出一倍甚至数倍，久坐产生的问题一是由于长时间对大腿部进行压迫，使腿部血液流通不畅，产生麻木感，甚至失去知觉，此时极容易发生危险，长此以往，容易使老年人患上静脉曲张等疾病，严重的可导致瘫痪。因此，设计一款适宜老年人使用的马桶迫在眉睫。

鉴于此，从老年人的人群特点、普通马桶设计上存在的缺陷等方面入手分析研究，并基于此结果，利用人因工程和机械设计原理对马桶的外观和功能进行改善设计，使之能够更符合老年人的生理与心理特点。

1 问题的提出

1.1 老年人人群特点

1.1.1 生理特点

老年人体格特征有以下特点。

①随年龄的增长，老年人逐渐出现驼背、个子变矮，并伴有腰腿痛的骨质增生。而且，越是身材高大的人，年老之后，身高下降得越明显。一般说来，80岁以上的人身高会比年轻时下降10～15厘米。据相关资料介绍，以男性60岁为基础，65岁和75岁，身高分别下降1.5厘米和3.5厘米[1]。

②老年人弯腰最好不要超过90度，仰头后侧，左右侧弯，更要避免将头部大幅度的下低，这些动作会使血液流向脑部，而老年人血管壁变硬，弹性差，易发生血管破裂，引起脑溢血，当恢复正常体位时，血液快速流向躯干和下肢，脑部发生贫血，出现两眼发黑，站立不稳，甚至摔倒[2]。

③绝大多数老年人存在便秘的问题。

1.1.2 心理特点

①人到老年比以往任何年龄段都更加关注自身健康，情绪上更容易产生焦虑、抑郁和孤独感。

②部分老年人自尊心很强，不服老，有什么事总是喜欢自己解决，不愿给别人一种廉颇老矣的感觉。

1.2 老年人在使用普通马桶时存在的问题

①市面上的普通马桶高度在40cm左右，大多数老年人打开马桶盖时重心前倾，腰部弯曲甚至可以达到90°，对于一些有高血压和心脑血管疾病的老人来说此时极容易发生危险，据不完全统计，老人如厕时最容易发生意外的两个时刻一是在如厕完毕起身时二是在弯腰打开马桶盖时。

②市面上的普通马桶座外形基本上没有太大的区别，前端为不规则的椭圆形弧面，如厕时双腿在其正前方，两腿之间基本上没有角度或角度太小，对于部分受便秘困扰的老年人来说，长时间保持这种姿势极易造成重心不稳等问题；另外，由于其表面的平面结构，使腿部各个位置承受着相同的压力，导致血液流通不畅，双腿麻木，在老人起身时诱发危险。

③市面上的普通马桶水箱大多是长方体，外观呆板，一般高度不超过30cm，宽度也基本上在30cm左右，水箱一般都比较厚，实用性强但存在功能单一、纵向占用空间大等诸多缺点。

④老年人尤其是受便秘困扰的老年人在如厕完毕后，由于对腿部长时间的压迫，加上马桶自身高度较低，其在起身时腿部吃不上力，起身难也成为困扰老年人的一大问题。然而由于马桶功能性对其自身高度的限制，不可能通过提高马桶高度来解决这一问题。

2 具体改善方案

2.1 马桶盖的改善

马桶盖开合的基本原理是用脚前后踩动脚踏使之带动飞轮转动，由飞轮的惯性带动折叠式马桶盖水平伸缩，从而实现马桶盖的开合。

①改善后马桶构成部件。改善后的马桶盖由齿轮、弹簧夹子、飞轮、皮带、钢丝、折扇型软塑料构成，如图1-图3所示。

②改善后马桶盖的打开原理。

1）如图4所示，脚踏板的前脚掌处连接有两条传动线，分别为传动线1、2。踩动前脚掌脚踏板带动传动线1，皮带装置带动齿轮逆时针转动。同时，传动线2带动弹簧夹子B收缩，A保持原状，并与此轮相互咬合，弹簧夹子与齿轮为一体装置，齿轮带动弹簧夹子转动，弹簧夹子带动飞轮转动。

2）马桶盖为折扇型软塑料。马桶盖的扇叶后端悬挂在实钢丝1上，其拉动带动扇叶折叠收缩，同时空钢丝1给实钢丝1送线，马桶盖打开。

③改善后马桶盖的关闭原理。

马桶盖的开合运用相同的原理，踩动后脚掌脚踏板连动传动线3、4；踩到脚踏板后脚掌的部位，带动传动线3，同时传动线4带动弹簧夹子A收缩，B保持原状，齿轮带动弹簧夹子转动，弹簧夹子带动飞轮转动。马桶盖的扇叶前端悬挂在实钢丝2上，其拉动带动扇叶折叠收缩，同时空钢丝2给实钢丝2送线，马桶盖打开。其中实钢丝2与空钢丝也是连接在飞轮上，齿轮装置带动钢丝装置。马桶盖关闭。

2.2 马桶座的改善

根据人因工程学原理对马桶座及座圈尺寸外形进行合理调整，使其更符合老年人生理及心理特点，并在相应的位置增加按摩装置，缓解蹲坐时间长腿部产生的不适感。

2.2.1 马桶座外形的改善

对座圈外形的改善如图5所示，具体为：

①马桶座圈的总长度为64cm，最大宽度为51cm，最小宽度24cm，座圈后部的凹陷深度为5cm，能更好的与人体曲线契合。

②座圈后部曲线更加圆滑，并且增大了臀部与座圈的接触面积，在使用时臀部的支撑度和舒适度更高。

③在座圈中部的弧线向内收缩，使用者使用时双腿骑跨在马桶上，两腿间有一定的角度，增加了人的稳定性，安全性得到了相应的提高；同时这一姿势也更能符合人因工程学理论，舒适性也得到了相应的提高。

④座圈整体呈类哑铃形状，后部与中部主要是功能性的考虑，而前端主要是出于美观性的考虑，前端较中部略微增大的椭圆形弧度和后部相互呼应更加美观。

2.2.2 增加按摩功效

通过在座圈特定部位增加按摩球，使人在如厕时可以按摩承扶穴位，能够通便消痔，舒筋活络，缓解腰部疼痛。

①按摩球特定位置如图6所示，距离内圈水平线向下2.2cm，左右对称，大小为半径3.2cm的圆形区域。

②设计圆按摩球，圆按摩球的区域放大图如图7，按摩区域由7个小圆组合，每一个小圆上又有很多的小的可自由旋转的凸起组成，按摩球内可以填充一些对人体有益的原生矿石等。按摩球下部有一个中凹的压力弹簧相连接，当有压力作用时，按摩起效。

③按摩球的高度选择原长为L为0.4cm的中凹压力弹簧，而且压力弹簧的最大压缩距离Lmax为0.3cm，圆按摩球的高度为h，预计按摩球在弹簧完全压缩状态应达到的理想高度为H经体验设计定为1.3cm，则理想高度为：

2.3 水箱的改善

利用人因工程学原理将水箱外形调整成类似座椅靠背形式，一方面增加了其美观性，另一方面通过其表面的曲线对人体背部作用于脊柱的力进行分散，保持脊椎处处于自然形状的放松姿势。

脊柱腰椎段是承受上体重量最关键的部位，它角度呈前凸弯曲形状，靠背应在腰椎倚靠的部位适度隆起，靠在上面时能与腰椎段的自然弯曲状贴合，并使上体前倾，工作时不使腰椎段后凸，以免腰椎间盘产生过渡压力[3，4]。在此基础上求得适合老年人的靠背曲线如图8和图9所示。

①根据测量计算的数据并对照适应度为95%的标准数据确定水箱的高度为56cm，宽度为48cm，厚度为13cm。

②根据测量计算的数据并对照适应度为95%的标准数据最终确定腰部最大凸起为3.5cm，最大凸起处距座面高度为22cm，最大限度的降低老年人由于久坐脊柱所产生的压力。

③根据我们实地测量计算的数据并对照适应度为95%的标准数据最终确定圆弧状最大凸起处距离座面高度为51cm，最大凸起为4.1cm，这样当人在向后靠时承接住头部对脊柱的压力。两个凸起所形成的弧度，契合了老年人放松坐姿时的背部曲线，最大限度的降低了老年人由于长时间如厕而带来的背部疲劳感。

2.4 马桶两侧加装扶手

在马桶后墙壁两侧加装固定扶手，利用人因工程学原理计算出两臂间距、高度，及臂宽等数据，使之成为使用者起身时的借力工具。强调物体在使用过程中对人体的生理及心理反应，并对此进行科学的实验和计算，在进行大量分析的基础上设计物体的尺寸，使之更科学更符合人体生理与心理要求[5，6]。两者之间宽度为55cm，距离座面高度为22cm，扶手手柄采用不锈钢材质，宽度为7cm，三棱形。部分零部件如图10所示。

2.5 脚踏式抽水按钮

根据机械设计原理，设计一种简单的机械传动装置，一端连接地面脚踏，一端连接马桶抽水按钮，通过踩动脚踏，控制抽水按钮，实现手动到脚控的转变。

①传动装置机构如图11所示，机构自由度为F=3n-2FL-FH，即：F=3×3-2×4-0×1=1。机构具有一个原动件，因此该机构具有确定的运动。

②将抽水按钮的双档错开一定高度，低档按钮档高于高档按钮档，如图11（a），当踩动脚踏至水平位置时低档按钮被按下，此时为低档节水冲水状态如图11（b），当踩动脚踏到向下一定角度时，高档按钮被按下，此时为高档冲水状态，如图11（c）。

2.6 改善后马桶外观

综合改善方案后老年马桶设计的整体效果如图12所示。

3 改善前后评价

3.1 产品设计的优点

与传统马桶相比，改善后的老年马桶实现了站着用脚打开折扇马桶盖，并站着踩踏后踏板实现用脚踩踏冲水，符合老年人群的生理特点，如图13所示。

3.2 产品设计的不足

产品设计存在的不足有，首先，产品设计时考虑卫生和省力原则，将一些用手的动作改成用脚了，这样对于手脚无力的人群而言，会有困难；其次，马桶外观发生很大的改变，在一定程度上不容易被人接受；最后，在功能上的改善，通过机械装置来解决诸如方便打开马桶盖，马桶冲水这些问题，而放弃了通过电气化或智能化的解决方法。

4 结论

通过社会调研，针对当下人口老龄化问题，老年人在如厕时意外频发这一社会现状，应用机械制造原理对马桶盖、抽水按钮进行改造，改变原有的操作方式，变手动为脚踏，省去了大幅度弯腰、大角度转身等对行动不便的老年人来说有一定危险性的动作；马桶盖采用折叠式可伸缩的外形设计，外形比较新颖，同时也没有减少其功能性。应用人因工程学原理对马桶座及水箱的外形调整，马桶座中部向内收缩的弧线形设计，减小其宽度使老年人可以用一种骑跨姿势坐在上面，增强了稳定性，在相应的位置增加按摩装置，对于缓解腿部疲劳有一定的作用，提高了舒适度；水箱外形的改变，更加符合老年人背部曲线，最大限度的降低了老年人由于长时间如厕而带来的背部疲劳感。扶手的增加使在老年人如厕时，站起和蹲下手臂可以辅助一定力量，有效的减轻老人漆关节的压力，防止意外发生。

通过对马桶盖、抽水按钮、水箱及马桶座的外观功能的调整及扶手的增加，减少了普通马桶对老年人的局限性，使之更加符合老年人生理与心理的特点，有效的降低了老年人如厕时意外事故发生的概率。

参考文献：

[1]宋春玲.我国老年长期护理人才需求预测与供给政策探析[J].中国民政，2013（05）.

[2]翟绍果，郭锦龙.构建和完善老年人长期照料服务体系[J].中州学刊，2013（09）.

[3]王东勃，郭宁生.基于驾驶适应性的运输机驾驶舱CATIA人因工程分析[J].机械科学与技术，2010，30（03）：387-390，394.

[4]陆德谋，徐学军，赖朝安，华赟.运用人因工程的笔记本键盘布局探讨[J].工业工程，2009（01）.

[5]张晶，李映红，魏东.减少人为差错保证飞行安全——基于人因工程学的飞行安全中的人为因素研究[J].科技信息，2010（05）.

[6]李秀丽，焦海贤，黄婷，刘伟.基于驾驶适应性和人因工程的事故预防对策[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2008（04）.

[7]柴春锋.基于人因工程的生产线改善研究[J].科技情报开发与经济，2006（11）.

[8]尚永贵，杜丽珍.基于人因工程的作业环境分析与优化[J].物流工程与管理，2014（04）.

[9]张恒，廖帅.基于模糊评价的超市人因环境影响因素分析[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2014（08）.